連續(xù)油管超聲檢測系統(tǒng)壁厚與橢圓度測量方案

梅旭濤，張仕民，王文明，徐克彬

連續(xù)油管超聲檢測系統(tǒng)壁厚與橢圓度測量方案

梅旭濤1，張仕民1，王文明1，徐克彬2

（1．中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，北京102249；2．渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北任丘062550）

連續(xù)油管作業(yè)時對其壁厚與橢圓度有要求。在分析國內(nèi)外連續(xù)油管檢測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)超聲波檢測原理，對超聲波信號的壁厚測量以及連續(xù)油管管體橢圓度測量原理進行了詳細描述，并提出了一種連續(xù)油管壁厚與橢圓度超聲波檢測系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案采用橢圓度優(yōu)化算法，提高了壁厚及橢圓度測量參數(shù)精度，可為連續(xù)油管超聲波檢測器樣機研制提供理論依據(jù)。

連續(xù)油管；超聲波；壁厚；橢圓度；設(shè)計方案

隨著油氣資源開采難度加大，連續(xù)油管技術(shù)廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、壓裂酸化、稠油開采等多領(lǐng)域［1-3］。連續(xù)油管纏繞在滾筒上，通過引導(dǎo)器進入注入頭，對油氣井進行常規(guī)作業(yè)時需不斷注入與起出，由于彎曲會造成連續(xù)油管壁厚及橢圓度變化［4-6］。連續(xù)油管壁厚減薄會造成連續(xù)油管在多油氣井作業(yè)過程中承受壓力減小，極易造成井下事故；同時，橢圓度變化到一定程度時將阻礙連續(xù)油管通過注入頭與防噴器，且影響密封性能［7］。因此，連續(xù)油管的壁厚及橢圓度參數(shù)至關(guān)重要，迫切需要用于現(xiàn)場對連續(xù)油管進行檢測的系統(tǒng)。本文結(jié)合超聲波檢測原理，提出了連續(xù)油管壁厚及橢圓度檢測的設(shè)計方案，具有重要現(xiàn)實意義，可為連續(xù)油管超聲波檢測器樣機研制提供理論依據(jù)。

1 國內(nèi)外連續(xù)油管檢測現(xiàn)狀

目前，國外具有連續(xù)油管檢測儀器的公司主要有NOV CTES、ROSEN、斯倫貝謝等。NOV CTES公司的Argus檢測器主要是利用超聲波檢測技術(shù)，可以精確地測量出壁厚、直徑以及相應(yīng)的橢圓度等參數(shù)［8-9］。德國ROSEN公司研制的連續(xù)油管自動化檢測系統(tǒng)ACIM，采用漏磁原理實時檢測管體缺陷［10］。2013年，斯倫貝謝公司推出CoilScan連續(xù)油管實時檢測儀，采用磁漏＋渦流原理，可以實時檢測連續(xù)油管的壁厚、直徑及變形量等關(guān)鍵參數(shù)，檢測參數(shù)結(jié)果實時在軟件界面顯示［11］。

國內(nèi)用于連續(xù)油管檢測產(chǎn)品較少，大多處于實驗室試制階段，多采用渦流與漏磁檢測技術(shù)對連續(xù)油管進行檢測。2010年，李文彬［12］設(shè)計了連續(xù)油管超聲波檢測系統(tǒng)。2012年，江漢機械研究院研制了連續(xù)油管檢測器［13］，采用漏磁＋磁橋路的檢測原理，局部缺陷采用漏磁方法檢測，壁厚變化采用磁橋路，橢圓度檢測采用渦流檢測技術(shù)。華中科技大學(xué)康宜華教授團隊設(shè)計的移動式連續(xù)油管檢測器［14］，采用渦流檢測原理實現(xiàn)對其直線度與橢圓度檢測。2014年，南昌航空大學(xué)于潤橋基于渦流測距的基本原理，設(shè)計了連續(xù)油管橢圓度測量樣機［15-16］。2014年，南昌航空大學(xué)程強強［17］將微磁技術(shù)運用于連續(xù)油管的缺陷檢測，采用電渦流檢測技術(shù)研制了電磁檢測系統(tǒng)樣機。中石油川慶鉆探工程有限公司［18］的專利中也介紹了連續(xù)油管橢圓度的檢測方法。

2 測量原理

2．1 壁厚［19］

超聲波檢測方式主要測量連續(xù)油管軸向360°管壁壁厚變化，包括連續(xù)油管作業(yè)過程中與井口的偏磨，以及腐蝕作用引起的管壁局部區(qū)域的減薄。在檢測探頭與連續(xù)油管外壁間采用有機玻璃耦合，目的是提高系統(tǒng)對放大后的遲滯線的靈敏度，同時也降低了超聲波在傳播過程中衰減。耦合有機玻璃材料與連續(xù)油管外壁間的壁厚間隙為0．15 mm（間隙中充滿水為耦合劑），防止連續(xù)油管在檢測移動過程中對耦合層的磨損。

超聲波探頭對連續(xù)油管檢測時，超聲波經(jīng)過耦合層有機玻璃材料，其與連續(xù)油管外壁會產(chǎn)生界面回波，同時部分信號繼續(xù)進入管壁，發(fā)生回波反射，壁厚的測量原理與脈沖回波信號如圖1所示。

通過分析接收到的回波信號，根據(jù)測量公式算出連續(xù)油管壁厚。假設(shè)圖中回波的時間分別為t1、t2、…、tn，超聲波在連續(xù)油管介質(zhì)中的傳播速度為u，令閘門內(nèi)的一次回波時間為t1，最后1個回波的時間為tn，即閘門內(nèi)回波次數(shù)為n次。圖中起始波為P，有機玻璃與連續(xù)油管外壁界面回波為F，一次回波、二次回波以及N次回波分別用B1、B2和Bn表示。則連續(xù)油管的壁厚計算公式為

圖1　脈沖壁厚檢測原理

2．2 直徑［20］

測量連續(xù)油管的內(nèi)外徑是為了確認(rèn)連續(xù)油管在某一截面處外徑與內(nèi)徑，為連續(xù)油管橢圓度以及腐蝕坑大小評價提供基礎(chǔ)。其檢測原理如圖2所示。

圖2　連續(xù)油管外徑檢測原理

1)耦合層距離計算與壁厚的檢測原理類似，利用初始波P到表面第1次回波F時間t1計算，已知超聲波在有機玻璃中的傳播速度為v，則檢測探頭到連續(xù)油管表面的距離（忽略有機玻璃與油管外壁0．15 mm左右間隙傳播速度不同的影響）即為耦合層厚度與間隙距離總和，即

2)已知相對1組探頭間距為L，且為常量，在相對超聲探頭檢測過程中，測出探頭與管壁間耦合層與間隙的距離li以及相應(yīng)管壁厚度wi，則可以測得4組連續(xù)管外徑，其表達式為

式中：CDiout為連續(xù)管外徑。

內(nèi)徑表達式為

式中：CDiin為連續(xù)管內(nèi)徑。

2．3 橢圓度［21］

連續(xù)油管在作業(yè)過程中，過度彎曲等塑性變形導(dǎo)致其截面橢圓度發(fā)生變化，對連續(xù)油管檢測時，確定某一局部段的擠壓變形量至關(guān)重要，即其橢圓度參數(shù)。目前，表示連續(xù)油管變形的方法主要是橢圓度，橢圓度測量實際是對于連續(xù)油管外徑測量。使用8個超聲波探頭測量4組外徑時，可以計算其2組橢圓度，取最大橢圓度值為評估此截面橢圓度。則其計算公式為

式中：Cu為連續(xù)油管橢圓度；CDmax為截面處最大外徑；CDmin為截面處最小外徑。

3 橢 圓度算法優(yōu)化［22-23］

在連續(xù)油管截面的周向均布了8個超聲波探頭，每個探頭只能對一定區(qū)域連續(xù)油管壁厚值進行測量，為了保證此檢測截面壁厚、直徑、橢圓度等參數(shù)的精度，對傳感器數(shù)據(jù)運用三次樣條插值方法來確定橢圓度值，以提高檢測參數(shù)精度。

3．1 理論算法

3．1．1 計算連續(xù)油管被測點的坐標(biāo)

在被測連續(xù)油管處截面為坐標(biāo)平面，以其標(biāo)稱圓心為原點（0，0），被測位置處的超聲波探頭為x軸，垂直于x軸方向為y軸，建立直角坐標(biāo)系。8個超聲波探頭位置以逆時針沿圓周均勻排布，探頭之間的位置角度為45°，如圖3所示。

圖3　被測點幾何關(guān)系

在對連續(xù)油管進行檢測時，超聲波探頭與油管表面的距離，即耦合層厚度與間隙的距離總和分別為l1～l8。此時，被測測點i與坐標(biāo)原點的距離為

式中：D為連續(xù)油管標(biāo)稱直徑；b0為超聲波探頭與連續(xù)油管表面初始距離；Δi為第i個超聲波傳感器的測量誤差；li為耦合層厚度與間隙總和。

則連續(xù)油管被測點的坐標(biāo)為

3.1.2 計算連續(xù)油管外徑的最大值Dmax和最小值Dmin

建立上述連續(xù)油管截面的坐標(biāo)系，以標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)油管圓心建立坐標(biāo)系原點。由于連續(xù)油管的形變，需重新建立連續(xù)油管坐標(biāo)系，則其幾何中心坐標(biāo)計算式為

可以結(jié)合兩點間的距離公式，計算被測點i與幾何中心的距離分別為R1～R8。建立以被測點i為橫軸、R為縱軸的直角坐標(biāo)系，即（0，R1），（45°，R2），（90°，R3），（135°，R4），（180°，R5），（225°，R6），（275°，R7），（315°，R8），（360°，R1）。為了提高檢測的精度，對圓周上的其他點利用三次樣條插值方法，求360個距離值，從中篩選出最大值Rmax和最小值Rmin。連續(xù)油管橢圓度算法如圖4所示，因此橢圓度計算公式為［14］

3．2 試驗數(shù)據(jù)驗證

本設(shè)計的連續(xù)油管超聲波檢測器適用于?50．8 mm（2英寸）管徑，標(biāo)準(zhǔn)壁厚3．96 mm，即標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑為42．88 mm。為了研究優(yōu)化算法對檢測壁厚、直徑、橢圓度等參數(shù)的影響，下面將分別對檢測數(shù)據(jù)做不同算法的對比：坐標(biāo)原點變換與坐標(biāo)原點不變，對這2種情況來做對比。連續(xù)油管檢測相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，表1中：CR與IR為未做坐標(biāo)變換外半徑與內(nèi)半徑值；CR′與IR′為進行坐標(biāo)變換外半徑與內(nèi)半徑值；CD與ID為連續(xù)油管外徑與內(nèi)徑值。

圖4　橢圓度檢測示意

表1　連續(xù)油管檢測相關(guān)數(shù)據(jù)

3．2．1 數(shù)據(jù)不做坐標(biāo)變化

1)擬合其內(nèi)外徑值。

連續(xù)油管測量值不做坐標(biāo)變換，即利用標(biāo)稱連續(xù)油管截面處的圓心為建立坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點，其檢測相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)過MATLAB對表1中CR與IR數(shù)據(jù)處理后，具體擬合后內(nèi)徑與外徑值擬合曲線如圖5所示。得到的外徑CRmax＝25．50 mm，CRmin＝25．20 mm，內(nèi)徑

2)橢圓度計算。

經(jīng)過三次樣條插值擬合后得到的數(shù)據(jù)為Rmax＝25．50 mm，Rmin＝25．20 mm。帶入式（9）可得

圖5　連續(xù)油管測量內(nèi)外徑數(shù)據(jù)擬合曲線

3．2．2 數(shù)據(jù)做坐標(biāo)變換處理

1)擬合其內(nèi)外徑值。

對連續(xù)油管外徑數(shù)據(jù)做外徑處理，即對超聲波探頭檢測數(shù)據(jù)采用3．1節(jié)中算法，并對其做相應(yīng)的坐標(biāo)變換，目的是為了提高檢測的精度。采用表1中的原始數(shù)據(jù)，并對其數(shù)據(jù)做坐標(biāo)變換處理

由上述計算可以得出，重新建立的坐標(biāo)系的原點在C′（0．01，－0．04）處，重新計算出外徑CR′與內(nèi)徑IR′，計算后的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　連續(xù)油管檢測處理后相關(guān)數(shù)據(jù)

經(jīng)過MATLAB對表2中數(shù)據(jù)處理，內(nèi)徑與外徑值的擬合曲線如圖6所示。得到的外徑CRmax＝25．49 mm，CRmin＝25．21mm，內(nèi)徑IRmax＝21．65 mm，IRmin＝21．28 mm。

圖6　坐標(biāo)變換后內(nèi)外徑數(shù)據(jù)擬合曲線

2)橢圓度計算。

綜上比較2種連續(xù)油管的橢圓度計算方法，可以看出：通過三次樣條插值優(yōu)化后計算方法，采樣點間距較?。ㄖ芟蚪嵌乳g距為2°），從中篩選出最大值Rmax和最小值Rmin，對于橢圓度與壁厚的檢測精度有所提高。

4 結(jié)語

針對連續(xù)油管在線檢測的需求，將超聲波檢測技術(shù)運用到連續(xù)油管缺陷、壁厚及橢圓度等參數(shù)的檢測。本文主要論述了連續(xù)油管超聲檢測系統(tǒng)檢測原理可行性，詳細描述了其壁厚與橢圓度測量方案。采用周向布置8個超聲波傳感器，對連續(xù)油管進行壁厚及橢圓度測量，并對壁厚和橢圓度的測量做出了相應(yīng)算法優(yōu)化，提高了超聲波檢測系統(tǒng)的檢測精度，為下一步連續(xù)油管超聲檢測系統(tǒng)樣機研制提供理論支持。

［1］賀會群．連續(xù)油管技術(shù)與裝備發(fā)展綜述［J］．石油機械，2006，34（1）：1-6．

［2］賀會群．連續(xù)管技術(shù)與裝備［J］．石油機械，2009，37 （7）：1-6．

［3］蘇新亮，李根生，沈忠厚，等．連續(xù)油管鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．天然氣工業(yè)．2008，28（8）：55-57．

［4］Michelle Torregross．Optimizing Pipe Management with a New Approach of Coiled Tubing Integrity Monitoring［R］．SPE 168303，2014．

［5］Stanley R K．Results of a New Coiled-Tubing Assessment Tool［R］．SPE 141944，2011．

［6］Roderic K Stanley．Methods and Results of Inspecting Coiled Tubing and Line Pipe［R］．SPE 68423，2001．

［7］韓興，康宜華，李雪輝，等．連續(xù)油管橢圓度恒磁檢測技術(shù)及裝置研究［J］．石油機械，2000，28（10）：17-19．

［8］楊旭，劉書海．連續(xù)油管檢測技術(shù)研究進展［J］．石油機械，2013，41（11）：100-104．

［9］周兆明，萬夫，李偉勤，等．連續(xù)油管檢測技術(shù)綜述［J］．石油礦場機械，2011，40（4）：9-12．

［10］Harbers P．Online Detection of Coiled Tubing Anomalies on a Small Scale for Safe CTOperations［R］．SPE 94155，2005

［11］中國頁巖氣網(wǎng)新聞中心．斯論貝謝推出CoilScan連續(xù)油管實時檢測儀［EB／OL］．（2013-08-27）［2014-09-15］．http：／／www．csgcn．com．cn／news／show-21001．html．

［12］李文彬，蘇歡，王珂，等．連續(xù)油管無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用研究［J］．石油礦場機械，2010，39（2）：48-52．

［13］湯清源，劉丹，程永瑞，等．連續(xù)油管在線磁法檢測研究與應(yīng)用［J］．石油機械，2012，40（11）：38-42．

［14］康宜華，孫有為，孫燕華．移動式連續(xù)管檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］．石油機械，2012，40（11）：86-89．

［15］武新軍，康宜華，吳義峰，等．連續(xù)油管橢圓度在線磁性檢測原理與方法［J］．石油礦場機械，2011，30（6）：12-14．

［16］于潤橋，廖城，程強強，等．基于渦流傳感器的連續(xù)油管橢圓度在線檢測技術(shù)研究［J］．石油機械，2014，14 （10）：38-41．

［17］程強強，夏桂鎖，于潤橋，等．基于微磁的連續(xù)油管在線檢測技術(shù)［J］．天然氣工業(yè)，2014，34（7）：109-114．

［18］萬夫，周兆明．連續(xù)油管橢圓度測量方法：中國，103063126［P］．2013-04-24．

［19］張琦．大容量高保真海底管道超聲檢測數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究［D］．上海：上海交通大學(xué)，2008．

［20］Kenneth R．Newman，A New Approach to Ultrasonic Coiled Tubing Inspection［R］．SPE 81722，2003．

［21］Boles J．A Field Study of Coiled-Tubing Material Loss and Ovality［R］．SPE 113669，2008．

［22］劉書桂，李蓬，那永林．基于最小二乘原理的平面任意位置橢圓的評價［J］．計量學(xué)報，2002，23（4）：245-247．

［23］許曄，吳瑞珉，金成國，等．直縫焊管管端直徑及橢圓度的檢測方法［J］．物理測試，2010，28（2）：48-51．

Measurement Scheme of Coiled Tubing Wall Thickness and Ovality by Ultrasonic Inspection

MEI Xutao1，ZHANG Shimin1，WANGWenming1，XUKebin2
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China Uniuersity of Petroleum，
Beijing 102249，China；2．BHDC Downhole Seruice Company，Renqiu 062550，China）

Aiming at the requirements of the thickness and ovality for the coiled tubing operation and based on the analyzed coiled tubing inspection system at domestic and aboard，and according to the principle of ultrasonic inspection，the measurement scheme of coiled tubing wall thickness and ovality by ultrasonic inspection was carried on．And the scheme adopts the ovality optimization algorithm，which improved the precision of wall thickness and ovality measure parameters．Finally result can provide theoretical basis for coiled tubing ultrasonic inspection prototype．

coiled tubing；ultrasonic；thickness；ovality；measurement scheme

TE933．8

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．005

1001-3482（2015）04-0019-06

2014-10-12

中國石油科技創(chuàng)新基金項目“基于連續(xù)管技術(shù)的海洋管道超聲波腐蝕檢測新方法的研究”（2012D 5006 0608）

梅旭濤（1990-），男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事管材超聲波檢測技術(shù)研究，E-mail：mxt19900525＠163．com。